奧氏體不銹鋼壓力容器的應變強化技術

廖文權

（南寧廣發重工集團有限公司，廣西 南寧 530001）

奧氏體不銹鋼壓力容器的應變強化技術

廖文權

（南寧廣發重工集團有限公司，廣西 南寧 530001）

奧氏體不銹鋼材料的強度較低，運用應變強化技術，可以提升材料的屈服強度，在一定程度上減少材料的消耗。目前，在奧氏體不銹鋼壓力容器的應變強化中存在著兩種不同的強化模式：一是常溫應變強化模式Avesta；二是低溫應變強化模式Ardeform。文章對奧氏體不銹鋼壓力應變強化的基本原理進行了分析，并對壓力容器的應變強化技術進行了討論。

奧氏體不銹鋼；壓力容器；應變強化技術；屈服強度；材料消耗；承壓設備

承壓設備在能源行業中處于核心地位，其穩定可靠運行影響著石油、核電等產業的發展，而在承壓設備的設計構造中，壓力容器的應變強化技術發揮著非常重要的作用。奧氏體不銹鋼本身具備良好的綜合性能，一般作為極端環境下壓力容器的結構材料，不過考慮到其本身的較低的屈服強度，需要運用應變強化技術來進行強化。

1 奧氏體不銹鋼概述

奧氏體不銹鋼屬于一種特殊的不銹鋼，其在常溫下具有奧氏體的特征，本身不存在磁性，強度相對較低，但是韌性和塑性較好，如果在其中加入S、Se等元素，則會具備良好的切削性。如果在奧氏體不銹鋼中加入Cu、Mo等元素，可以提升其耐酸性介質的腐蝕能力，尤其是高硅的奧氏體不銹鋼，對于濃硝酸同樣有著良好的耐蝕性。而憑借著良好的綜合性能，奧氏體不銹鋼在越來越多的行業和領域得到了廣泛的應用。

2 奧氏體不銹鋼應變強化原理

由于本身構造的特殊性，奧氏體不銹鋼的應力應變行為與普通鋼材有著很大的不同，不存在相應的屈服平臺，因此屈服強度以及強拉強度之間的應變硬化段相對較差，在室溫條件下延伸率可以達到40%以上。而在傳統壓力容器設計中，采用的是基于彈性設計準則的方法，對危險截面的應力范圍進行限定，以此來提升壓力容器的承壓上限，在具體的操作中，一般是增加壓力容器的壁厚，降低應力，不過這種方式會加大對于材料的消耗。奧氏體不銹鋼本身的價格較為昂貴，因此如果繼續沿用傳統的設計方法，必然無法滿足實際需求。

在這種情況下，設計人員一般會通過試加載以及卸載的方式，實現對于奧氏體不銹鋼材料的永久性塑性變形，確保材料本身的屈曲強度能夠達到預期的設計要求，而在壓力容器制造完成后，結合常溫水處理進行強化，可以進一步提升奧氏體不銹鋼的屈服強度。通過這樣的方式，能夠在保證壓力容器性能和使用安全的前提下，減少20%～50%的材料用量。奧氏體不銹鋼的應變強化特性使得其在橋梁、建筑等領域得到了廣泛應用，而在壓力容器方面的應用同樣取得了一定的成果，具體來講，體現在兩種不同的應變強化模式，即Avesta模式和Ardeform模式。

3 奧氏體不銹鋼壓力容器應變強化技術

3.1 Avesta模式

Avesta模式的基本原理，是將奧氏體不銹鋼壓力容器在常溫環境下進行應變強化水壓試驗，引發出8%～10%的塑性變形，以此來提升奧氏體不銹鋼材料的抗拉強度和屈服強度，由于其本身可以在常溫下進行，因此被稱為常溫應變強化或者Avesta模式。這種強化模式下制作出的壓力容器一般以民用為主，可以儲存液氧、液氮等介質。

以瑞典應變強化壓力容器標準CSD為例，在Avesta模式下，奧氏體不銹鋼材料的用量在304～316L之間，最大壁厚為30mm，最大運行溫度為400℃。在延伸率不低于35%的情況下，退火態材料σ0.2在210MPa左右。以應變強化技術進行強化后，屈服強度的取值約為410MPa，然后可以依照常規的設計方法進行設計。應變強化水壓試驗中，試驗的壓力數值可以根據相關公式計算得到：

在相關標準中還指出，對試樣進行單向拉伸，最大10%的應變基本可以滿足材料新的屈服強度，而平面應力則可以依照Mises屈服準則進行計算，應變的比例關系如表1所示：

表1 應力與應變的比例關系

在CSD標準中，為了確保材料新的屈服強度σk的取值可靠，對求容器的最大應變為5%，對圓筒容器的環向最大應變為8.7%，而標準規定的最大應變為10。在實際壓力容器的制作中，圓筒容器的最大應變一般在3%～5%，導致這種情況的原因是多方面的：一是材料本身的σk對比標準值偏大；二是在壓力容器的制作環節，存在著壁板厚度的偏差，計算圓整后有一定的余量；三是封頭與接管等的存在起到了一定的強化作用。在技術發展的帶動下，1991年，瑞典CSD標準新修訂版中不再需要確認材料新的屈服強度值，僅僅只需要根據應變強化σk，對水壓試驗所需的壓力進行計算即可。

3.2 Ardeform模式

Ardeform模式指將退火態301奧氏體不銹鋼壓力容器放置在－196℃的環境下，進行相應的應變強化水壓試驗，會產生10%～13%的塑性變形，能夠有效提升301鋼的屈服強度與抗拉強度，如果必要，可以在427℃的高溫環境下對材料進行20h的時效處理，可以更進一步地對材料的強度進行提升。這種模式強化的奧氏體不銹鋼材料一般用于比較特殊的領域，如航空航天領域，其使用介質同樣是液氮、液氧和液氫等。

Arde-Portland公司對于該模式有著較為深入的研究，將同樣尺寸的鋼球放置在－196℃的環境下，單純進行應變強化后而沒有經過其他處理，于室溫環境下放置2h以上，在－196℃的超低溫下爆破，相比較應變強化應力，屈服應力有所上升，雖然上升的幅度極小，但是至少也證明了室溫下同樣存在一定的時效作用。而在427℃的高溫環境下對材料進行20h的時效處理后，屈服應力的提升相當顯著，而且會隨著應變強化應力而發生相應的變化。對于退火態的球容器，在－196℃爆破時，產生的屈服應力既是引發應變強化的初始應力，同時也是材料在相應溫度下的屈服應力。而在爆破時，應力本身并不高，不過考慮材料減薄，依照真應力計算，爆破時產生的應力應該與應變強化球的應力保持一致。如果在常溫下進行爆破試驗，在沒有經過時效處理的情況下，球容器的屈服應力應該從其原本的應變強化應力進行分析；而在經過時效處理后，球容器的屈服應力和爆破應力均比較高。選擇光滑試樣進行單向拉伸實驗，在－196℃的條件下，應變強化應力逐漸增大，室溫拉伸屈服強度以及抗拉強度也會逐漸增加，與沒有經過時效處理的試樣相比，經過時效處理的試驗擁有更高的屈服和抗拉強度。為了對雙向應力進行研究，這里在試樣上制作出缺口，然后進行拉伸實驗，結果表明，當應變強化應力增加時，時效試樣的屈服應力并沒有發生很大的變化，而沒有經過時效處理的試樣屈服強度有所增加，也表明了室溫同樣具有一定的強化效應。

在－196℃的條件下進行拉伸試驗，在沒有經過時效處理時，光滑試樣與缺口試樣的抗拉強度比值會隨著強化時應力的增大而減小，反之，如果經過了時效處理，比值會隨著應力的增大而增大。對其進行分析，可以得到三個比較關鍵的結論：一是可以通過低溫強化的方法來提升奧氏體不銹鋼材料的強度，制造出滿足實際要求的壓力容器；二是在沒有經過時效處理的情況下，對奧氏體不銹鋼進行應變強化，在－196℃的條件下存在較高的缺口韌性；三是對于經過時效處理的奧氏體不銹鋼，經應變強化后，無論是在室溫還是在－196℃的環境下，都具有較高的強度。

3.3 模式對比

將對兩種強化模式進行對比，Avesta模式可以在室溫下進行，強化前不需要對容器進行高溫淬火處理，而且應變強化在3%～5%，對于材料韌性等并沒有很大的影響，強化程度相當有限，一般用于民用領域壓力容器的應變強化；Ardeform模式需要在－196℃的液氮低溫環境下進行，應變強化前需要對容器進行高溫淬火處理，應變強化量實際在10%左右，在強化處理后通常需要經過427℃、20h的時效處理，提升強化的效果。Ardeform模式對于材料的韌性等影響較大，強化效果更加明顯，一般用于航天領域。

不過，兩種模式也存在著一定的相同點：一是從原理上都利用了材料的應變強化效應；二是在強化后，將材料作為一種全新的材料考慮，分析其新性能和屈服應力；三是強化后，整體結構會出現較為明顯的塑性變形情況，而在對容器進行設計時，不需要考慮幾何變形可能帶來的影響，可以依照變性前的幾何尺寸，結合通常壓力容器的設計方法進行。

4 結語

總而言之，奧氏體不銹鋼材料作為一種綜合性能良好的材料，在許多領域都有著廣泛的應用，不過其本身較低的強度也在一定程度上限制了材料性能的充分發揮，盲目地增加材料用量只會導致成本的增加。在這種情況下，可以在奧氏體不銹鋼壓力容器的設計中引入應變強化技術，提升材料的屈服強度和抗拉強度，有效節約材料的用量，應該得到足夠的重視和更加深入的研究創新，推動應變強化技術效果的持續提高。

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（責任編輯：黃銀芳）

TQ051

1009-2374（2017）12-0034-02

10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.12.018

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